铜对生物体的毒性效应及研究进展

余玲玲+黄碧捷+肖梦茹+张梦蝶

摘要：指出了随着全球经济一体化进程的加快，全球范围内的环境污染问题是发展过程中必须面对和解决的，其中重金属污染问题尤为严峻。分析了金属铜离子的来源及危害，综述了铜对植物、动物、微生物等的毒性效应进展并提出了研究展望。

关键词：铜;毒性效应;复合污染;展望

中图分类号：X173

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0145-03

1铜离子的来源及危害

重金属广泛存在于自然界中，随着人类开采、冶炼、加工及商业制造活动的日益增加，使得各种重金属进入生态系统，并在其中积累、迁移和转化，给生物带来不可逆转的伤害，如2010年福建紫金矿业溃坝事件、瑞昌市工业园自来水中毒事件等都是由铜离子引起。

大气中的铜离子污染主要来源于金属铜冶炼及其加工过程中所排放出的含大量铜及其化合物的烟尘，该烟尘会对呼吸系统产生严重伤害。含铜物质的加工、铜锌矿的开采过程会排放出大量含铜废水，该废水一方面影响水生生物的生存，污染水质和土壤;另一方面，人食用了该废水浇灌的食物会造成重金属中毒。土壤中铜污染主要来源于岩石风化和含铜废水的灌溉等。铜离子会富集在生长于污染土壤中的农作物体内，通过食物链进入人体，使人产生急性胃肠炎、肝组织坏死、记忆力减退、注意力不集中等不良影响;地表径流和渗透作用会使地表水和地下水受到其污染。

2铜对植物的毒性效应

铜离子是植物生长中必需的微量元素，过高或过低的铜离子都会对植物的生长指标（如种子萌发、根伸长等）、呼吸作用、光合作用、蒸腾作用、酶的活性及结构、遗传物质的表达等产生影响。

2.1对水生藻体的影响

水体中的初级生产者是微藻，微藻为其他生物的生存提供了物质基础。低浓度的铜离子，对藻体的细胞密度、光密度及叶绿素a的含量有促进作用，但是超过某一范围后对藻类的生长有明显的抑制作用。不同浓度铜离子对不同藻类的毒性效应是不同的。李晨辰等人[1]发现在铜离子浓度为1 mg/L时，绿色微囊藻（Microcystis viridis）的生长受到明显抑制，而简建波等人[2]以三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）为实验对象，铜离子浓度相对增加50%才对其生长产生了明显的抑制作用。实验条件的不同会使实验结果产生变化，如染毒时间。郭翠[3]等人研究表明：在急性条件和慢性条件下，得出了红藻坛紫菜（Porphyra haitanensis）的叶状体的丙二醛（MDA）含量，超氧化合物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）的活性随染毒时间发生了变化。众多的关于铜离子对藻类的影响研究说明：实验结果受化合物和营养液的种类、光照时间、培养方法、选取试验藻类的生长地区和阶段等的变化而变化。只有用科学的方法对实验进行统一和规范，才能保证数据的连贯性和系统性、实验的相互对比性。

2.2对陆生植物生长发育的影响

铜离子对植物的种子萌发、根伸长、叶绿素的合成、植株干重鲜重等一般都表现为“低促高抑”现象。表1列举了4类不同植物对其生长指标的影响。

植株吸收的铜离子在所需范围之内时，对植物生长发育有促进作用，当其吸收量超过一定的范围之后，在植株体内会产生大量的自由基和MDA，抑制植株的生长，引起植物新陈代谢的紊乱。在相同植株的不同部位，对铜离子的耐受力是不一样的，例如：根是直接与铜离子接触的部位，对铜离子的敏感程度强于茎。对不同植株的相同部位，铜离子的耐性也不同。在发生轻微污染的土地中，可根据植株的耐受力选择合适的植株进行种植，在一定程度上可以充分利用土壤中的重金属和土地资源。

已有的众多文献报道的实验结果具有较大差别的原因在于：一方面是由于染毒受试对象选择（试验阶段、受试物种）不一样;另一方面是由于实验条件的不同，如染毒时间、光照时间、培养液或土壤类型、铜离子化合物的种类、浓度梯度的差异等使结果存在偏差。在MS培养基中，铜的毒害主要表现在对芽的生长影响;而在蒸馏水的培养基中，对发芽率、芽长和根长有明显毒害作用[8]。为消除因无法类比实验结果而带来的“浪费”，在染毒实验中，应消除无关变量的干扰，提高实验的准确性;选用的染毒受试生物上应具代表性和普适性。课题组正进行着对绿豆整个生命周期内，硫酸铜和氯化铜对其的毒性影响研究，力图建立普适性、全程性的植物毒性效应研究模式。

2.3对陆生植物生理生化指标的影响

植物吸收的铜离子超过阈值时，会使植物产生酶的活性和气孔的开闭发生改变，体内水分的分布受到影响，细胞膜的选择透过性改变等一系列反应。植物体内各种酶的变化情况的影响因素：首先会随着铜离子剂量的变化而变化，且铜离子对酶的活性的促进浓度最大值是不同的。铜离子致大球盖菇胞内过氧化物酶（POD）和CAT的活性先增加后降低，极值浓度分别为200 μmol/L和100 μmol/L[9];其次会随着植株受铜离子毒害时间而变化，例如：经过铜处理的小麦幼根的SOD酶的活性随胁迫时间的延长呈“降-升-降”的趋势，POD和谷胱甘肽硫基转移酶（GST）均随时间的延长和浓度的升高呈现下降趋势[10];最后，铜离子对基因表达有影响，尤其是铜离子浓度和时间的交互作用对其影响因素更为明显。

黄瓜愈伤组织对铜离子吸收积累速度较快，在大于20 mg/L铜离子胁迫下，愈伤组织会对铜积累量达到超富集水平。随着铜离子浓度的变化，黄瓜体内铜离子主要富集部位也发生了变化，在较低浓度铜胁迫下，主要积累在细胞壁;在较高浓度铜胁迫下，主要积累在细胞可溶部分。黄瓜作为生产生活中较常见且易栽培的植株，其愈伤组织可大范围用作对铜离子积累机理的研究材料。通过选取不同实验对象，可发现潜在对铜离子有超量积累的植株，在植物对重金属污染土地的处理上会有一定的指导作用。

2.4微观及宏观系统的影响endprint

外界生活条件的改变，可能会导致机体本身基因的表达和遗传的改变，这种改变是物竞天择、适者生存的结果，而物种的微观改变也会影响生态系统，即产生宏观改变。在不同浓度的铜处理体外培养的猪胰岛细胞发现对其SS基因mRNA的表达没有显著性影响[11]，但在二价铜离子与类胡萝卜素作用时，会产生自由基，对DNA产生伤害。在研究铜离子对微观水平影响时，不仅要探讨其浓度、种类、作用时间等对某一因素的单一影响，还要研究可能相关的多个指标之间变化的关系。例如，铜离子作用受试物种后，所研究指标发生变化，可能由于外界因素（温度、光照等）的影响，而不是铜离子的作用。被铜离子污染的土壤中细菌的种类会发生改变，从而使土壤的紧实度、质地和有机质特性都可能发生变化，而且其周边的植株随着铜胁迫时间的延长其中毒程度会不断加深。有时铜离子污染的范围虽小，但随着时间的增加，污染程度和污染范围也会在一定程度上有所增加，所以为防止大范围的污染，应首先减少或消除小范围的污染。

3铜对动物的影响

铜作为生长发育所必须的元素，它可以调控黑色素的合成，增强机体的免疫能力，参与含铜蛋白质的形成，对造血过程和髓蛋白的合成有促进作用等。饲料中低剂量的铜具有促进生长的作用，斑点叉尾鮰在饲料铜水平作用下，其肝体比及肥满度都有所增加[12];但若暴露浓度超过一定的范围，则会对生物体带来严重伤害，中国花鲈幼鱼随着铜离子暴露浓度和时间的延长，其肝脏的氧化系统减弱，肝脏组织溶解性坏死，鳃部组织出现大量血窦，且具有一定遗传毒性[13]。

4对土壤蚯蚓及其他微生物的影响

4.1对蚯蚓的影响

蚯蚓作为低剂量暴露效应的早期生物检测指标，不仅对减小土壤中重金属的含量有一定的作用，而且蚯蚓对污染物的传递、物质的循环、能量的流动都有一定的作用，甚至施用蚯蚓粪便可显著降低果实中铅、汞、无机砷的含量，所以了解铜离子对蚯蚓的毒性是非常必要的。蚯蚓在受到低浓度铜离子伤害时，CAT和SOD均呈现出“抑制-激活”的变化[14]。为了适应变化的外界环境，蚯蚓通过调节自身氧化系统来保护机体，减小伤害。

4.2对其他微生物的影响

土壤生态系统群落结构和稳定性的重要表征参数是土壤微生物种群结构。在受到铜离子作用后，种群的结构和多样性指数都会发生改变。在SBR反应器中，随着铜离子浓度增大，硝酸菌的种群结构变化大，多样性指数变小;铜离子浓度变化对反硝化菌的多样性指数影响明显，对其菌群结构影响很小;对活性污泥镜检发现，随铜离子质量浓度的增加，污泥中微生物种类以及数量逐渐减少，在铜离子的质量浓度增加至20 mg/L时以纤毛类钟虫等为主的原生动物已基本检测不到，而且污泥絮体大量解体。在日常SBR工艺运行时，应严格控制重金属的浓度，保证实际生产的有序进行。若能利用铜离子对某些微生物的抑制作用，来筛选出所需菌种，得到所需的物质，从工业生产来说会简化工艺流程、实现高效生产。铜离子对土壤的微生物结构有一定的调节作用，施加铜胁迫后，接种食真菌线虫会使土壤基础呼吸增加，抑制真菌生长，间接促进细菌增长[15]。在高浓度铜离子下，线虫的生长周期和产卵数量都会下降，研究重金属对各种微生物的作用机制后，对由微生物作用引起的疾病的治疗将有指导性作用。

5研究进展

5.1新型铜化合物毒性效应研究

纳米材料越来越广泛地被用于电子、医药、食品、化工、军事、航空航天等领域，现今环境中的许多复杂的迁移转化、环境行为和生态效应都是由于纳米材料造成的。纳米氧化铜具有良好的导电、导热和抗菌性能，所以也被广泛运用。纳米氧化铜对植物、动物都有明显的毒性效应。纳米氧化铜对植物不同部位及不同时期的毒性效应是不同的，且其毒害程度和毒物的粒径有一定关系，一般说来，粒径越小，毒害作用越大。铜离子对植物种子根伸长和芽体生长都有抑制作用，因为纳米铜的粒径最小，所以其毒性效应强于微米铜和铜离子。随着纳米氧化铜暴露时间和剂量的增加，肾细胞的ROS升高，培养上清中的MDA、细胞内GSH均上升[16]。总而言之：纳米氧化铜比同浓度下的无机铜离子毒性效应大，对纳米氧化铜的使用及处理应严格要求，避免给生物带来伤害。

5.2复合污染条件下的毒性效应研究

复合污染下的毒性效应研究更接近于实际。华玉丹等人[17]发现锌和铜离子复合处理对各项生理指标的毒害作用低于铜离子单独处理，高于锌单独处理的情况;刘文权等[18]发现在铜、锌离子浓度1∶1配比的情况下，对金鱼的联合作用为毒性增强的协同作用;铜和铁对生物质代谢有明显的抑制作用，特别是在挥发性脂肪酸（VFAs）基板上的产生与消耗[19]。复合污染条件下，铜对生物体的毒性效应会因拮抗、联合、协同等作用发生变化，所以现在越来越多的研究都更关注于实际的复合污染条件下铜的环境行为，应引起足够的重视。

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